引用本文
林旭, 刘静. 江汉和洞庭盆地与周缘造山带盆山耦合研究进展[J]. 地震地质, 2019,41(2): 499-520.
LIN Xu, LIU-ZENG Jing. A REVIEW OF MOUNTAIN-BASIN COUPLING OF JIANGHAN AND DONGTING BASINS WITH THEIR SURROUNDING MOUNTAINS[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(2): 499-520.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.02.015
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江汉和洞庭盆地与周缘造山带盆山耦合研究进展
林旭1,2, 刘静2
1)湖南文理学院, 洞庭湖生态经济区建设与发展湖南省协同创新中心, 常德 415000
2)中国地震局地质研究所, 北京 100029

〔作者简介〕 林旭, 男, 1984年生, 2016年于中国科学院地质与地球物理研究所获第四纪地质学专业博士学位, 副教授, 主要从事新生代构造、 大河演化研究, 电话: 13325135055, E-mail: hanwuji-life@163.com。

收稿日期: 2018-12-05
基金项目: 国家自然科学基金(41702178, 41671011)和湖南省自然科学基金(2019JJ40198)共同资助
摘要

沉积盆地与造山带是大陆构造的2个重要的组成单元, 具内在成因联系。对其耦合关系进行研究, 可以恢复和重建岩石圈深部运动过程, 了解近地表构造与气候之间的相互作用。江汉和洞庭盆地位于长江中游, 与周缘造山带具有清晰的盆山边界, 盆内河流水系十分发育, 是一个多物源沉积盆地, 是探讨从山(源)到盆(汇)沉积过程的天然实验室。文中对江汉盆地盆山耦合的研究结果进行了总结和梳理, 介绍了造山带基岩、 盆地和河流沉积物低温热年代学的应用方法, 提出了新的研究切入点, 建议今后在江汉和洞庭盆地开展盆山耦合研究时, 将造山带基岩和河流碎屑矿物低温热年代学结果相结合, 同时开展同一目标矿物的物源示踪研究, 综合分析造山带隆升信息与物源信息, 并与周缘构造和沉积学研究结果相互检验, 可得到详细的盆山耦合演化过程。

关键词: 江汉盆地; 洞庭盆地; 盆山耦合; 低温热年代学
中图分类号:P931.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)02-0499-22
A REVIEW OF MOUNTAIN-BASIN COUPLING OF JIANGHAN AND DONGTING BASINS WITH THEIR SURROUNDING MOUNTAINS
LIN Xu1,2, LIU-ZENG Jing2
1)Hunan Province Cooperative Innovation Center for the Construction & Development of Dongting Lake Ecological Economic Zone, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China;
2)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

Sedimentary basin and orogenic belt are two important components of continental structure with internal genetic links. The study of the basin-mountain coupling can reconstruct and restore the coupling relationships between the deep lithosphere process, near-surface structure and climate change over time. The Jianghan-Dongting Basin locates in the middle reaches of the Yangtze River, presenting a clear basin and mountain boundary with the Qinling-Dabie Shan to the north, the Mufu Shan to the southeast, the Wuling Shan to the southwest, and the E’xi Mountain to the west, respectively.

The Meso-Cenozoic Jianghan-Dongting Basin was affected by the subduction and collision of the Pacific plate and the Indian Ocean plate on the Eurasian continent, resulting in multiple tectonic evolution processes. There are some big rivers pouring into the Jianghan-Dongting Basin, such as the Yangtze River, Hanjiang River, Ba River, Xiangjiang River, and Yuanjiang River, etc. to serve as the material transport belts linking between the orogenic belt denudation and basin deposition. Therefore, the Jianghan-Dongting Basin has become a multi-source sedimentary basin, which makes it a natural laboratory to explore the geological processes from source to sink. Because the low-temperature thermochronology(e.g. fission-track and(U-Th)/He)can record the recent uplift time of mountains, they are widely used on the bedrock samples and the detrital synorogenic sediments in basins to constrain the surface uplift time of the orogenic belt. Hence, in the first parts of the paper we summarize and sort out the research results of basin-mountain coupling process in the Jianghan-Dongting Basin, evaluate the research results, identify the existing problems, and propose new research directions. After that, we introduce the applications of low-temperature thermochronology on the bedrock within the orogenic belt, basin and river sediments, combined with the actual situation of Jianghan-Dongting Basin, and put forward a new research breakthrough point. It is found that the Jianghan-Dongting Basin is very suitable for the study of low-temperature thermalchronology on detrital minerals. However, it should combine the low-temperature thermochronology results of both orogenic belt and river sediments with the provenance analysis on the same target minerals, building the connection between the exhumation and provenance information on the orogenic belt, thus providing the detailed evolution of mountain-basin coupling process.

Keyword: Jianghan Basin; Dongting Basin; mountain-basin coupling; low-temperature thermochronology
0 引言

沉积盆地与造山带是大陆构造的2个重要的组成单元, 它们在空间上相互依存, 物质上相互补偿, 演化中相互转化, 动力上相互转换, 具内在成因联系(刘树根等, 2003)。对大陆地区关键地点的盆山耦合关系进行研究, 可以重建和恢复岩石圈深部运动过程, 并获悉近地表构造与气候之间的耦合关系(孙继敏, 2014; 刘静等, 2018)。因此, 盆山耦合关系的研究成为探讨大陆动力学的前沿课题之一, 受到地学研究者的广泛重视。目前, 众多研究者已对盆山耦合关系进行了多方面的深入研讨。

江汉和洞庭盆地位于华南陆块北缘的中扬子地区, 夹持于秦岭— 大别造山带与江南造山带之间, 与其西缘的武陵山— 黄陵背斜、 北缘和东缘的秦岭— 大别山以及南部的幕阜山— 雪峰山构成典型的复合盆山体系, 具有清晰的盆山边界(戴世昭, 1997; Liu S et al., 2017)(图1)。它们既是构造盆地, 也是沉积盆地, 其周围山脉海拔大都在2i000m左右, 自中生代以来经历了长时间的夷平剥蚀过程, 因而造山带早期的地质信息大部分保存在江汉盆地中(李忠等, 2002; Shen et al., 2012b)。此外, 江汉和洞庭盆地恰好是长江穿过三峡后东流入海流经的第一个盆地, 与四川盆地相比其面积较小, 已堆积的沉积物没有被大量剥蚀, 因而盆地内部来自周缘以及远缘造山带的剥蚀物质保存相对完好(Zhang et al., 2008; Zheng et al., 2013; Wang et al., 2018); 同时, 因其位于中国二、 三级阶梯转变的关键部位, 对其进行盆山耦合研究, 不仅可以获悉区域内受古太平洋板块向欧亚大陆俯冲、 印度-欧亚板块碰撞的远程效应影响所产生的地质信息(梅廉夫等, 2010; Li et al., 2014; Tang et al., 2014), 而且对了解中国3大地势阶梯的建立过程也具有重要的指示意义。该区域是认识东亚大陆东部地区新生代以来构造体制转换的关键地区之一。

图 1 江汉盆地位置示意图(修改自Li et al., 2014)Fig. 1 The diagram showing the distribution of main mountains, basins, and rivers around the Jianghan Basin(after Li et al., 2014).

针对江汉和洞庭盆地与周缘造山带的盆山耦合关系研究已经开展多年, 但相关认识依然存在较大分歧, 这体现在以下几方面: 首先, 对于周缘大型河流何时注入江汉盆地存在不同观点(Zheng, 2015; Yang et al., 2017), 尤其是长江上游物质何时进入江汉盆地一直存在争议; 其次, 对于江汉盆地内广泛分布的新生代砾石层, 其物源及形成时代依然未达成共识(沈玉昌, 1965; 杨达源, 1988; 向芳等, 2006; Zhang et al., 2008; Zheng et al., 2013)。大型河流均发源于大型山脉或高原, 是造山带与内陆盆地、 大洋物质联系的纽带(李长安等, 2000; 汪品先, 2005; 杨守业, 2006; 范代读等, 2012)。因此, 源自这些河流的碎屑沉积物不仅能提供源区重要的地质演化信息, 同时也记录了河流本身的演化发育情况, 是开展盆山耦合研究的理想载体(林旭等, 2017b)。磷灰石和锆石是河流沉积物中常见的副矿物, 由于其裂变径迹(FT)和(U-Th)/He 测年方法的封闭温度相对较低, 故能灵敏地记录浅层地壳的隆升剥蚀过程。 其不仅能限定河流物源区, 建立其源-汇沉积体系(Foster et al., 2007; Lin et al., 2015), 同时, 由于河流流域的面积广阔, 还可提供流域内岩体的长时间热历史演化过程(Duvall et al., 2012; Lin et al., 2018), 再结合河谷两侧的基岩垂直剖面低温热年代学结果, 可共同约束河流的形成时代(Liu-Zeng et al., 2018)。基于此, 我们在综述江汉盆地与其周缘造山带耦合关系研究结果的基础上提出研究切入点, 介绍低温热年代学用于盆山耦合研究的方法与策略, 为今后的江汉盆地盆山耦合研究提供借鉴。

1 地质背景

江汉和洞庭盆地总面积约28i000km2, 大巴山和鄂西山地位于盆地西部, 武陵山和雪峰山位于盆地西南, 盆地东北分布着桐柏山、 大别山, 幕府山构成盆地的东南边界。盆地中部以平原地貌为主, 海拔50m左右, 地势平坦, 河流水系发育, 长江自西向东自宜昌流入盆地, 向E经黄石流出盆地, 汉江自北部注入盆地, 涢水、 澴河、 巴河等发源于大别山的水系自东北注入盆地, 澧水、 沅江、 资水和湘江自南向北注入盆地, 汨罗江等自东南汇入盆地, 构成典型的向心状河流系统(图2)。

图 2 江汉和洞庭盆地周缘主要造山带和注入河流分布图Fig. 2 Distribution map of major orogenic belts and injected rivers in the periphery of Jianghan and Dongting Basin.

自晚三叠纪以来, 扬子板块与华北板块发生碰撞拼合, 奠定了上扬子板块江汉盆地周缘的古地理、 古构造格局(湖北省地质矿产局, 1990; Liu et al., 2013)。侏罗纪末的构造运动进一步塑造了上扬子板块现今的构造格架, 以 NNE 向断裂为主的滨太平洋断裂体系基本定型。自白垩纪开始, 受 NW 及 NE 向断裂控制, 江汉盆地开始断陷。早古新世, 由于NE向拉张断陷、 NW 向断层及低凸起构造的分隔, 盆地内形成巨厚的陆屑蒸发岩组合和玄武岩。晚古新世— 早始新世盆内以统一拗陷为特点。中始新世盆地随周缘山地的隆起也相应产生断块隆升, 红色陆源碎屑层内夹多层玄武岩。晚始新世初, NE 向断裂使盆地内部出现断陷作用, 形成若干箕状凹陷或地堑, 盆地进入萎缩发展阶段。渐新世末, 江汉和洞庭盆地经历断陷多旋回发育, 最终结束自身的发展历史。进入新近纪, 断块运动明显减弱, 山地和缓抬升, 江汉和洞庭盆地内地势经夷平后, 保留了以河流相、 湖泊相为主的披盖式沉积, 基本形成现代江汉平原的雏形(湖北省地质矿产局, 1990; 戴世昭, 1997)。

2 研究进展
2.1 中生代盆山耦合研究进展

江汉和洞庭盆地自中生代以来沉积了数千m厚的河湖相地层, 这些沉积物不仅蕴含着周缘造山带的隆升信息, 作为长江东出三峡流经的第一个大型卸载盆地, 同时还保存了长江上游水系演化、 尤其是三峡贯通的地质信息。因此, 国内外学者利用从 “ 源” 到 “ 汇” 的思路对江汉盆地的地表和地下沉积层广泛开展了盆山耦合研究。

沈玉昌(1965)认为江汉盆地西部的黄陵背斜在侏罗— 白垩纪已经被河流切穿, 因而堆积在盆地西缘的沉积物已具有远源河流属性。Wang等(2018)认为在230~100MaiBP时秦岭— 大别山开始隆升, 发育流经江汉盆地向W注入松潘— 甘孜海槽的大型河流, 是对晚三叠纪扬子与华北板块碰撞拼贴过程的响应。晚白垩纪时期(100~50MaiBP), 自西向东流动的河流开始注入江汉盆地, 这一流向反转过程是对晚中生代拉萨板块与羌塘板块持续碰撞拼贴、 华南板块向NW俯冲并导致龙门山地壳增厚发生隆升的响应(Yan D et al., 2018)。但对重矿物、 金红石和锆石的U-Pb年龄谱系进行对比后, Deng等(2018a)认为晚白垩纪— 早古近纪四川盆地、 西昌盆地和思茅-兰坪盆地具有统一的物源区, 主要为龙门山和秦岭, 此时一条NW-SE向流动的大型河流将这些盆地串联。Shen等(2012a, b)认为四川盆地、 江汉盆地、 麻阳盆地和衡阳盆地于中生代时彼此连通, 秦岭— 大别山在221~195MaiBP发生构造隆升成为盆地的主要物源区, 同时接受东部华夏板块的物质供应; 黄陵背斜在110~95MaiBP、 83~74MaiBP和43MaiBP发生快速隆升, 成为江汉盆地和秭归盆地近缘重要的物源区之一(图3①)。通过对黄陵背斜周缘的秭归盆地、 江汉盆地西部的沉积相、 砂岩碎屑成分和古流向进行分析, 渠洪杰等(2014)发现在早— 中侏罗世, 这些盆地内以河-湖相地层为主, 物源区为北部秦岭山脉; 中— 晚侏罗世, 物源区则局限于黄陵背斜; 早白垩世初期, 近缘冲积扇和辫状河体系占据盆地内沉积地层的主体, 物源区依然为黄陵地区。李超等(2006)对江汉盆地东部大别山同构造期沉积的上三叠统— 中侏罗统砂岩碎屑白云母进行了化学成分分析, 结果表明中侏罗统砂岩多硅和低硅白云母发育, 表明此时大别山成为江汉盆地重要的物源区。这与沉积相结果记录的江汉盆地东北缘中生代地层自晚白垩世开始发育粗碎屑类磨拉石堆积相一致(李忠等, 2002; Liu et al., 2013)。此时泛江汉盆地(区别于新生代被造山带圈闭的盆地)的物质输入应是近缘河流和远缘河流共同作用的结果。显然, 对中生代泛江汉盆地物源区的限定, 不仅有助于理解其新生代 “ 一盆多山” 的盆山耦合发展过程, 也有助于研究长江等大型河流的形成演化时间, 但对于晚中生代古长江是否东流依然需要开展工作进行厘定。

图 3 江汉和洞庭盆地周缘低温热年代学结果分布图
序号代表研究地点; ①Shen et al., 2012a, b; Richardson et al., 2010; ②Yin et al., 2001; 吴中海等, 2003; Enkelmann et al., 2003; Liu J et al., 2013; ③Grimmer et al., 2002; Xu et al., 2005; Hu et al., 2006b; ④彭和求等, 2004; ⑤柏道远等, 2006; ⑥Tang et al., 2014; ⑦Li T Y et al., 2015; Li Z et al., 2015Fig. 3 Distribution map of low-temperature thermochronology results around the Jianghan and Dongting Basin.

2.2 新生代盆山耦合研究进展

2.2.1 长江注入江汉盆地和洞庭盆地的时间

沈玉昌(1965))依据地貌、 沉积物特征及新构造等证据认为古金沙江并没有南流注入澜沧江或红河, 这一观点与Clark等(2004))的观点形成鲜明对比, 后者认为古红河水系曾经非常庞大, 现今藏东南的诸多大型河流(包括长江川江段)都是其支流, 后在中新世因构造抬升, 导致这一水系样式解体, 金沙江开始东流。但Wissink等(2016))对青藏高原东南缘新生代盆地内碎屑锆石的U-Pb年龄进行了系统分析, 结合古流向测量数据, 认为藏东南的大型河流自始新世以来已建立与现今相似的河流系统。而Clift等(2008))对红河流域现代河砂全岩 Nd同位素和碎屑钾长石Pb同位素进行了分析, 综合红河下游河口三角洲钻孔全岩Nd同位素分析结果及地层沉积年龄确定约24MaiBP以来沉积物中没有来自长江的物质。因此, 如果长江上游曾与红河连通, 这种连通性至少在24MaiBP前被打破。Zheng等(2013))对南京地区新生代砾岩进行了 40Ar/39Ar 测年及碎屑锆石U-Pb年龄测定, 结合江汉盆地沉积相变化和红河下游河口钻孔的研究结果(Clift et al., 2008), 认为长江东流水系在青藏高原隆升及东亚季风的共同作用下至少在23MaiBP前已建立, 这与Yan Y等(2018))依据Nd同位素、 碎屑锆石U-Pb 年龄和基岩低温热年代学结果, 认为长江中段在25MaiBP发生转向的时间相近。颜茂都等(2018))认为晚始新世— 渐新世红河失去其北部上游包括金沙江在内的大部分河流, 长江上游开始东流。但Wei等(2016))在石鼓南侧漾濞江谷地进行钻孔取样分析, 结合两岸古近纪地层古流向测定、 沉积相分析结果, 认为古近纪长江上游并没有经此向S流动。他们提出, 古近纪时该区域都是一些孤立的山间盆地沉积, 没有大型河流连通, 长江在该地区的格局可能在中新世晚期才形成, 这与赵希涛等(2006))提出的古金沙江在上新世形成的时间相近。Clark等(2005))根据河谷基岩低温热年代学结果, 分析认为藏东南的大型河流在新近纪早期开始出现, 这与Horton等(2002))根据囊谦盆地的沉积相、 古流向测量结果间接推断区域性大型河流在新近纪开始外流的时间大致相当。最近, Nie等(2018))根据多个河谷剖面磷灰石的(U-Th)/He 年龄结果, 分析认为17MaiBP 因气候导致澜沧江出现快速下切过程。Liu-Zeng等(2018))对青藏高原东南缘的三江流域(怒江、 澜沧江、 金沙江)分水岭和河谷基岩进行低温热年代学分析, 发现60~40MaiBP和20~0MaiBP的 2期快速剥蚀期和120~80MaiBP的中— 快速剥蚀事件; 同时, Yang等(2016))得到的三江流域基岩低温热年代学结果大部分集中在中新世和上新世, 这些年龄限定了河流发育的时间上限(白垩纪)与下限(上新世), 这说明区域内河谷下切是一个长期过程(图4)。不难看出, 金沙江、 澜沧江及其相关支流流经青藏高原东南缘, 深受高原新生代隆升和南亚-东亚夏季风的影响, 河谷基岩低温热年代学年龄能限定河流的下切时间, 但不能约束河流流向, 即不能限定河流是内流河还是外流河。长江流域面积广, 沉积物来源较多, 因而利用单一物源示踪方法进行沉积过程的重建将面临极大的困难和挑战(Liu X C et al., 2017)。所以, 需将河谷基岩和河道碎屑矿物低温热年代学结果相结合, 同时进行同一目标矿物的物源示踪特征指标分析。 例如, 协同分析磷灰石原位Sr-Nd同位素、 U-Pb、 FT和(U-Th)/He年龄, 在建立U-Pb-FT-(U-Th)/He长期热年代学时间序列的同时, 将物源区的隆升年龄信息与物源变化信息相结合, 该方法有助于在构造复杂的地质环境中进行大型河流的演化研究。

图 4 多方法限定造山带隆升时间(引自Malusà et al., 2018)
a 基于同一矿物的不同低温热年代学体系, 根据每个体系的封闭温度不同的特点, 建立造山带长时间的隆升时间序列; b 针对同一剖面从底到上进行同一矿物不同低温热年代学分析Fig. 4 Alternative approaches to constrain the rate of exhumation from bedrock samples(after Malusà et al., 2018).

Richardson等(2008, 2010)对长江三峡黄陵背斜进行了磷灰石FT、 (U-Th)/He年龄和热历史模拟分析, 结合四川盆地西侧中— 新生代地层和钻孔碎屑磷灰石的FT和(U-Th)/He年龄, 分析认为黄陵背斜在40MaiBP处于快速抬升阶段, 四川盆地在40~38MaiBP以后经历快速抬升剥蚀(Tian et al., 2018), 从而推断长江中游东流水系在始新世已经建立(图3①)。前已述及, 国内学者认为这一时间应提前至晚白垩纪(沈玉昌, 1965)。Wang等(2018)发现江汉盆地于50~23MaiBP成为由外流水系主导的盆地。Yang等(2017)同样认为四川盆地在 45~40MaiBP从内流沉积环境向外流沉积环境转变, 但考虑此时长江下游江汉盆地内的沉积相(湖相)(戴世昭, 1997), 他们认为长江向W流入红河, 而长江下游在12~10MaiBP袭夺四川盆地内的长江水系。这与杨达源(1988)根据江汉盆地沉积相变化推断新近纪长江依然没有进入江汉盆地的结论有出入, 但比Kong等(2009)认为长江在1.58~1.34MaiBP后切穿昔格达古湖向E流的时间要早约10Ma。

2.2.2 盆地钻孔

随着江汉盆地内油气资源的勘探与开发, 越来越多的研究者借助地质钻孔资料, 结合古地磁和古生物相对年龄限定钻孔的沉积时代, 在钻孔的不同层位进行多物源示踪指标分析, 从而恢复和重建江汉盆地的物源沉积体系。

江汉盆地内白垩纪沉积层以高角度不整合超覆于前白垩纪地层之上, 晚白垩纪断陷活动十分强烈(湖北省地质矿产局, 1990)。戴世昭(1997)对江汉盆地多个石油钻孔进行沉积相分析, 冲积扇相在晚白垩纪主要分布在盆地北缘, 此时盆地周缘水系发育。古新世时盆地西部水系发育明显减弱, 供给的碎屑物大量减少。始新世早期, 主要入湖水系位于盆地西部及北部, 南部有一弱流。Wu 等(2017)对江汉盆地早始新统地层进行钻孔碎屑锆石 U-Pb 年龄和重矿物组合分析, 并与潜在物源区进行对比, 认为碎屑物质主要来自受盆地内断裂影响较强的北部, 除此以外盆地东部、 南部和西北部也是重要的物质供区。可以看出, 在早古近纪沉积阶段, 江汉盆地内部隆、 陷结构比晚白垩纪时期更加复杂, 说明盆地处于强烈裂谷阶段, 其构造活动对盆地内物质分布的影响也愈发显著。华南板块在晚白垩纪(107~86MaiBP)主要以SN挤压构造环境为主, 进入新一期地壳缩短阶段, 并在板块内部发育EW向的拉张盆地, 在此大构造背景下, 江汉盆地受其影响开始进入裂谷盆地发育的初始阶段(Liu et al., 2013; Li et al., 2014); 新生代早期(60~40MaiBP)汉江盆地处于裂谷盆地发育的鼎盛时期, 构造坳陷加速发育(戴世昭, 1997)。因此, 在晚白垩纪到新生代早期, 江汉盆地处于更开阔的沉积环境中; 而在中始新世, 江汉盆地沉积约2i000m厚的蒸发膏盐, 指示干旱气候环境盛行, 此时的江汉盆地处于裂陷速率快于物质堆积的“ 饥饿” 状态(戴世昭, 1997), 是否出现类似现今阿姆河和锡尔河注入咸海的河湖分布样式还需要进一步研究。另外, 江汉盆地此时北部的冲积扇是否由古汉江流搬运而来依然未知。

Zhang等(2008)对江汉盆地中部的周老孔和新沟孔进行了沉积物岩性特征、 磁学参数及磁性矿物特征分析, 据此推断长江至少在1.17~1.12MaiBP之间切穿三峡进入江汉盆地。Sun等(2018)对上述2个钻孔开展了碎屑白云母 40Ar/39Ar 年龄分析, 结合碎屑锆石的 U-Pb 年龄结果, 认为古汉江在晚上新世进入江汉盆地, 而长江上游在晚上新世和中更新世中期之间进入江汉盆地。与此同时, 钻孔重矿物组合(康春国等, 2009)和微量元素地球化学(袁胜元等, 2012)分析结果表明, 江汉盆地水系在上新世— 第四纪曾发生过调整。除此之外, 研究者在江汉盆地南部的洞庭盆地内也开展了钻孔研究工作。柏道远等(2010)对洞庭盆地西部的两护村钻孔进行重矿物组合分析, 结合钻孔岩性和岩相变化以及区域地质背景, 发现资江在早更新世注入盆地, 导致层位内锆石、 金红石等含量显著增高。赵举兴等(2014)对洞庭盆地内的S3-7钻孔进行古地磁和ESR(电子自旋共振)定年分析, 同时和盆地内其它钻孔的同期沉积相进行对比, 建立了盆地自早更新世以来的沉积格架, 但未对其进行物源示踪研究。目前, 江汉盆地南缘洞庭盆地内的物源示踪研究进展程度比盆地北部还略显薄弱, 将湘、 资、 沅和澧4条水系的现代河流沉积物与洞庭盆地内钻孔地层建立物源联系的研究还没有开展。以上研究对长江、 古汉江何时流入江汉盆地的时间进行限定的主要依据是钻孔地层的沉积时代, 而这些钻孔并没有贯穿盆地下部更早的沉积地层, 因而这些研究结果仅反映了江汉盆地后期与周缘造山带的耦合信息。

2.2.3 砾石层

江汉盆地内新生代砾石层广泛出露于大别山南麓、 长江北岸, 主体位于宜昌至武汉及其周边地区。沈玉昌(1965)在宜昌东湖系砾岩内发现来自川西— 滇中的砾石成分, 推断长江在古近纪初已成为江汉盆地的物质供给河。而杨达源(1988)认为宜昌砾石层一直到洞庭湖内均有分布, 根据湖南省第二水文队提供的钻孔古地磁年龄, 推断这套砾石层的堆积年代约2MaiBP, 是长江宜昌以西河段水量大、 侵蚀能力强的体现。向芳等(2006)对宜昌砾石层进行岩石物质组分、 稀土及微量元素特征分析, 结合重矿物和 ESR 定年分析, 认为长江在0.75MaiBP以后注入江汉盆地。Zhang等(2008)对宜昌至武汉段长江高阶地的砾石层进行了系统的环境磁学研究, 认为这些砾石层形成于早更新世晚期, 武汉附近的砾石层具有多源性的特点, 既有来自长江上游的物质, 也有来自江汉盆地周围河流的组分。康春国等(2014)对宜昌云池组和善溪窑组砂砾层砂质透镜体进行重矿物组成分析, 并与长江现代干流沉积物重矿物组合进行对比, 推断这一巨大的冲积扇由长江在第四纪早期切穿三峡堆积而成。但是Zheng等(2013)在武汉阳逻砾岩中发现大量中新统硅化木等植物化石, 与长江中下游其它河段同期砾石层的物源组成进行对比, 推断长江水系在中新世早期已经出现在江汉盆地, 这些砾石层和长江的演化密切相关。

2.2.4 河流阶地

河流阶地在江汉盆地周缘十分发育, 其不仅记录了区域地貌的演化过程, 同时也限定了河流的形成时代, 故可用于指示这些河流进入江汉盆地的时间。杨达源(1988)对三峡地区的河流阶地进行了系统调查, 提出三峡地区不同河段阶地级数发育不一致, 在宜昌— 宜都一带最为发育, 其中六级和五级阶地形成于0.73MaiBP。向芳等(2011)根据长江三峡内河流阶地的锆石U-Pb年代学分析结果, 认为长江在0.75MaiBP后进入江汉盆地。Li等(2001)对四川盆地、 长江三峡及江汉盆地西缘一系列层状地貌进行研究, 确定古长江水系在晚上新世发生调整, 切穿三峡进入江汉盆地。

沈玉昌(1956)对汉江流域的岩性、 河谷地貌开展了详细研究, 认为第四纪以前汉水流域基本上是侵蚀区, 但在宽谷里沉积了红色砾岩、 砂岩和页岩, 受喜山期构造运动的影响其下游河道位置向S推移。王明明(2013)根据汉中盆地北部秦岭和南部米仓山— 汉南岩体磷灰石的低温热年代学结果, 结合区域构造进行分析, 指出汉中盆地的雏形自50MaiBP开始逐渐形成, 汉江应在此之后出现。然而, 根据ESR和OSL(光释光)测年结果来看, 汉江及其支流各级阶地的时代跨度是由早更新世至全新世(胡庆等, 2017)。

赵举兴等(2014)根据沅江下游河袱山和黄土山砾石层沉积学特征, 结合ESR年龄综合分析认为, 这些砾石层是早更新世沅江进入洞庭盆地前形成的古冲积扇的残余。早在20世纪50年代, 任美锷等(1957)对湘江流域的地质地貌进行了研究, 认为湘江在古近纪初期是局域性河流, 在新近纪伴随周围雪峰山、 南岭的隆升而发育成区域性贯流大型河流注入洞庭湖。Yang等(2011)对澧水上游的河流阶地进行了研究, 共发现7级阶地, 其中最早的阶地形成于1.2MaiBP, 同时和周缘长江三峡河流阶地的形成时代进行对比, 认为澧水至少在早更新世末进入江汉盆地。杨达源(1988)对鄂西清江流域进行了构造分析, 认为古清江在古近纪直接流入宜都西北的断坳盆地内, 江汉盆地边缘水系约在1MaiBP袭夺恩施盆地内水系, 使得清江汇水范围明显增加; 清江长阳第五和第六级河流阶地的TL年龄为0.8Ma(杨达源, 2006)。

2.3 江汉和洞庭盆地周缘造山带隆升时间

锆石和磷灰石低温热年代学结果表明, 秦岭在160~120MaiBP、 120~90MaiBP、 68.2MaiBP、 57~42MaiBP、 32~22MaiBP、 17.8MaiBP、 10~8MaiBP和9~4MaiBP发生了多期次隆升(Yin et al., 2001; Enkelmann et al., 2003; 吴中海等, 2003; Liu et al., 2013)(图3②), 并最终形成现今长江和黄河2大水系的分水岭。分析东秦岭、 桐柏— 大别山的磷灰石FT和(U-Th)/He年龄, 结合热历史模拟结果可知, 造山带在140~110MaiBP发生了构造抬升事件, 这主要是由西太平洋向NW方向俯冲引起的弧后拉张所致(Grimmer et al., 2002; Xu et al., 2005; Hu et al., 2006b)(图3③)。随后发生于70MaiBP的隆升很有可能和区域内的岩石圈减薄有关, 而45~34MaiBP时期的构造抬升过程波及整个造山带(Xu et al., 2005; Hu et al., 2006b)。在20~13Ma和上新世— 第四纪出现的快速隆升过程, 应该是受西部印度-欧亚大陆碰撞的远程效应所影响(Xu et al., 2005)。通过计算剥蚀速率, Hu等(2006a)发现自120MaiBP以来桐柏— 大别山有超过9.7km的碎屑物质被剥蚀, 而新生代剥蚀厚度也达到3.8km。由于大别山存在强烈的构造变形和剥露, 使得造山演变中的许多地质记录缺失, 因此从造山带本身恢复造山作用的过程并不全面。而这些地质记录更多地被保留在与造山带相邻的江汉盆地中, 对发源于大别山南坡且注入江汉盆地的河流进行低温热年代学分析, 可为认识大别山造山作用提供进一步的地质年龄信息。汉江是发源于秦岭南缘且注入江汉盆地北缘的最大河流, 因此, 将汉江上游河谷基岩的低温热年代学结果与流域内广泛报道的河流阶地形成的时代相结合, 进行汉江流域碎屑矿物低温热年代学和物源示踪研究, 同时参考江汉盆地北部靠近汉江入口已有钻孔的物源示踪分析结果, 将秦岭的构造演化和江汉盆地的物质填充过程进行衔接, 有助于理解二者之间的耦合关系, 这对于认识和理解中国东部地貌格局的建立时间和汉江水系的演化过程等诸多地质问题十分有益。

彭和求等(2004)对江汉盆地南缘的九岭— 幕阜山进行了基岩锆石的FT年龄分析, 发现岩体在132~120MaiBP、 81.1~55.6MaiBP和47~30MaiBP出现了3期较强烈的隆升过程(图3④)。柏道远等(2006)对湘江上游的南岭进行了基岩磷灰石的FT年龄测试, 发现快速隆升过程出现在222MaiBP、 146.4MaiBP和94.11~14.8MaiBP, 地壳抬升剥蚀幅度达3km以上(图3⑤)。沅江流域的武陵山、 雪峰山以及沅麻盆地基岩和砂岩碎屑磷灰石的FT年龄与热历史模拟和沉积相观察结果共同揭示了区域自84MaiBP开始经历快速隆升。在60~40MaiBP发生的快速隆升过程和江汉盆地周缘造山带此时出现的隆升同期, 说明这一期构造事件在区域内广泛发生, 使上扬子板块内各个盆地之间相互分隔。随后, 在19~15MaiBP再次发生快速隆升和抬升过程, 这主要和印度板块与欧亚大陆碰撞的远程效应向E传递有关, 因而在古近纪沅江流域缺乏该时期的沉积地层(Tang et al., 2014)(图3⑥)。借助湘江、 资江和沅江这些大型河流碎屑矿物的低温热年代学结果, 将其与江汉盆地南部的构造抬升进行关联, 限定盆地与武陵山、 雪峰山等NE-SW走向、 绵延上千km的陆内造山带的盆山耦合时间, 对理解华南板块中部中生代和新生代区域山脉-河流-盆地的分布格局有重要意义。

通过以上多种方法对江汉盆地的盆山耦合过程进行研究, 结果表明, 研究者对长江何时流入江汉盆地依然存在较大分歧, 一方面和研究者采用的研究方法不同相关, 另一方面也和长江流域范围广、 不同研究地点自身地质属性存在差异有关。因此, 对于江汉盆地何时借助河流与其上游的青藏高原建立远缘的盆山耦合关系这一问题仍然需要开展相关工作进行研究。由于各种测年方法的测年范围存在差异, 江汉盆地内广泛分布的新生代砾石层在物源及形成时代上的研究结果存在较大不同。相对于河流砂而言, 砾石需要更强的河流水动力条件才得以搬运, 故搬运距离相对较短, 对近缘物源区的示踪更加直观。国内外研究者已经广泛利用盆地内砂质砾石中碎屑矿物的低温热年代学分析结果进行盆山耦合关系的研究(Wang et al., 2003), 但该项工作在江汉盆地这一研究区依然没有开展。 因此, 如果对盆地内的砂质砾石与河流碎屑和周缘造山带基岩的低温热年代学结果进行系统的分析与讨论, 将能提供全新的视角。

3 将低温热年代学方法用于江汉和洞庭盆地盆山耦合关系的研究

山体隆升的过程中不断剥蚀而形成的碎屑沉积物堆积在山体周围, 经河流搬运进入临近的盆地、 河床中堆积, 在这个过程中流水对岩屑具有汇集作用, 成为天然的采样器(Lin et al., 2018)。而这些沉积物作为造山带最直接、 最具体的地质记录, 是研究造山带构造活动和地形演化过程的理想对象。

一方面, 碎屑锆石的U-Pb年龄体系具有较高的封闭温度(700~900℃), 能记录上地幔到中地壳深度的热事件, 被广泛应用于造山带早期岩浆活动的研究中(Liu X C et al., 2017; Liang et al., 2018)。但由于这一封闭温度过高, 后期热事件很难将其破坏, 故其不能灵敏地记录造山带后期的演化信息(Bernet et al., 2005)。另一方面, 无论锆石的裂变径迹(ZFT: 约240℃)、 磷灰石裂变径迹(AFT: 约110℃), 还是锆石(U-Th)/He(ZHe: 约190℃)和磷灰石(U-Th)/He(AHe: 约70℃)的封闭温度, 都比锆石U-Pb和白云母 39Ar/40Ar(约350℃)的封闭温度体系低得多(Donelick et al., 2005), 属于低温热年代学范畴, 能有效记录造山带后期的冷却历史(郑德文等, 2000; 王国灿, 2002; 周祖翼, 2014), 因而有学者尝试将U-Pb和FT-(U-Th)/He的高-低温热年代学体系联系起来(Daniš í k et al., 2010; Shen et al., 2012a), 弥补各自的劣势, 即可给出矿物从结晶形成、 经历变质到最后发生冷却抬升的完整过程, 提供更长时间的造山带热历史信息, 尤其是利用碎屑颗粒进行测试, 结果更为理想(Daniš í k, 2018)。这就是对同一矿物颗粒开展 “ Tripling Dating” 和 “ Double Dating” 的核心理念。此外, 进行锆石U-Pb年龄和磷灰石原位Sr-Nd同位素分析, 可获取矿物颗粒的微量元素和稀土元素含量, 用以检验FT退火情况, 或反映物源信息和成岩情况(Foster et al., 2007; Daniš í k, 2018)。近年来, 利用激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱仪分析技术(简称LA-MC-ICP-MS)对磷灰石和锆石的FT年龄进行分析这一方法逐渐流行。该方法避免了核反应堆热中子辐照的步骤, 比传统外探测器法更省时, 允许对大量样品同时进行分析(Daniš í k, 2018)。

目前, 利用矿物低温热年代学方法对造山带隆升进行研究, 主要采用基岩法和碎屑沉积物法(Tian et al., 2015; Yang et al., 2016; Zhang et al., 2016; Liu-Zeng et al., 2018)(图3, 4)。其中, 基岩法要求在足够高的同一垂直剖面上间隔采样, 以便获得宽泛的年龄范围, 这对于快速隆升的岩体或造山带尤为重要。一个重要假设是山体在隆升过程中样品的空间关系没有发生变化, 故这一方法不能应用于有断层的区域, 因为断层的断裂很有可能将初始的年龄-高程关系打乱。此外, 还可在较短距离内依海拔高度变化水平衔接采样, 以此来确定年龄和高度的相关性。也可选择性地避开断层, 加大样品垂直采样高度, 以获取造山带更长时间尺度的热历史信息。在实际研究过程中, 根据造山带的地质构造情况, 可以针对同一垂直剖面的同一矿物或将同一低温热年代学体系运用于不同矿物开展造山带隆升研究。单一矿物多方法低温热年代学体系具有不同的封闭温度, 可以提供逐步年轻的冷却年龄, 限定造山带由隆升引起的冷却序列的发生时间(图4a); 由于不同矿物同一低温热年代学体系的封闭温度不同, 可以得到单一体系无法提供的年龄范围, 其结果所反映的热历史年龄信息更加丰富(图4b)。

此外, 在挤压造山带, 构造抬升引起地壳缩短增厚, 导致地表抬升。 同时, 随着坡度变陡, 加上气候因素的影响, 地表剥蚀速率加快, 孕育出深切河谷(Schildgen et al., 2018)。 自河谷底部向上进行样品采集, 在给出有关造山带更长时间尺度隆升信息的同时, 也为河流的形成提供时间约束(图5a)。 这些深切河谷的形成无论是与构造抬升有关(Clark et al., 2005), 还是受强降水的影响而出现(Nie et al., 2018), 或是同时受二者的影响, 从几百km深的河谷低温热年代学年龄跨度来看, 均是一个长期过程(图5b), 对应了区域内阶段性构造、 气候事件的发生。因此, 基于基岩垂直剖面获取的河谷低温热年代学的最小年龄可以用于约束河流形成的时间下限, 结合河谷下切面顶部的年龄可以限定河流的形成年代(图5c)。

图 5 低温热年代学方法限定河谷下切时间的示意图
a 前10Ma河谷初始下切阶段; b、 c 10~5Ma河谷快速下切阶段, 后5Ma河谷持续下切阶段。河流形成于前10Ma 和后5Ma(引自Schildgen et al., 2018)Fig. 5 Thermochronologic approach to constraining canyon incision history.

盆地沉积地层和河流沉积物是进行碎屑矿物低温热年代学分析的2个主要载体(林旭等, 2017a, b)。沉积盆地是造山带剥蚀物质的良好储存地。如果盆地沉积层未达到引起矿物低温热年代学封闭温度发生热重置的厚度, 则盆地底部物质的低温热年代学年龄较老, 能够记录造山带早期的隆升剥蚀信息, 而上部地层则保存造山带后期的隆升信息, 对应物源区多期次的隆升剥蚀过程, 将出现多个峰值年龄(Malusà et al., 2018)(图6a)。但当盆地沉积地层达到一定厚度, 下部地层的温度高于矿物低温热年代学的封闭温度时, 那么其有关造山带热历史信息的记录将被部分擦除, 这时分解的峰值年龄大部分小于地层的沉积年龄(图6b); 随着构造活动或沉积叠加过程出现, 盆地底部地层经历完全退火过程, 所产生的热年代年龄均比沉积地层年轻, 这时形成的低温热年代学年龄则反映后期地层发生抬升的时间(王修喜, 2017)(图6c)。通过江汉盆地东部和南部多个沉积钻孔的碎屑锆石和磷灰石FT、 磷灰石((U-Th)/He)的年龄结果来看(Li T Y et al., 2015; Li Z et al., 2015), 由于盆地地层沉积厚度超过这些低温热年代计的封闭温度, 导致其年龄发生重置, 源区造山带的隆升信息被擦除, 这些年龄结合热历史模拟结果表明江汉盆地在120~110MaiBP、 80~60MaiBP和50~40MaiBP发生构造抬升(图3⑦)。但是将这些盆地地层抬升事件与周缘造山带的隆升时间进行系统关联并讨论盆山耦合过程的研究还没有开展, 因此缺少与基岩低温热年代学结果从“ 源” 到“ 汇” 进行交叉检验的环节。

图 6 沉积盆地碎屑样品低温热年代学分析基本类型示意图(修改自Malusà et al., 2018)
a盆地地层厚度并未达矿物低温热年代学体系发生退火的深度, 径迹年龄比地层沉积时代古老, 记录了源区的热历史信息; b随着盆地地层深度增加, 出现部分退火现象, 部分径迹年龄比地层沉积时代年轻; c盆地底部开始出现完全退火现象, 早期的热历史信息被 “ 清零” , 地层再次发生抬升, 形成新的径迹年龄Fig. 6 Schematic diagram of low temperature thermalchronology analysis of detrital samples in sedimentary basins (after Malusà et al., 2018).

而对于河流碎屑矿物低温热年代学而言, 在每一个现代河流采集3~5kg的0.25~1mm中粗砂作为样品就可满足分析要求。但有时特殊河段受水动力条件的影响, 所含锆石和磷灰石等矿物颗粒很少, 在此情况下可以加大样品的采集量。一般自上而下沿河流干、 支流河床或边滩按一定距离间隔采样。对于大多数碎屑而言, 只要样品颗粒数目达到 40~100颗就可满足FT年龄的分析需求。但有时样品中的目标矿物具有裂隙、 U含量异常等会导致适合分析的矿物颗粒偏少而不具备统计意义。如果所研究的流域较小, 可对流域内的所有样品进行整体分析, 借助Binofit或Radial Plotter软件确定峰值年龄(Vermeesch, 2018)。这些峰值年龄与源区隆升或河谷下切的时间相关(Schildgen et al., 2018)(图5)。将河流内碎屑样品的峰值年龄与流域内已知基岩隆升的时间进行比对, 可反映源区热历史信息并建立二者之间的源汇关系(Clift et al., 2006)。因此, 基岩地区由于交通条件、 地表覆盖、 岩性等因素的限制, 可能会出现不易采集样品的情况, 这时河流碎屑样品低温热年代学方法的优势就显现出来(图7)。

图 7 河流碎屑矿物低温热年代学物源示踪示意图Fig. 7 Schematic diagram of the low-temperature thermalchronology of river detrital sand from source to sink.

前已叙及, 江汉盆地周缘河流阶地和河谷基岩低温热年代学记录的河流形成时间具有较大差异, 这主要是因为限定河流阶地形成时代的测年尺度远比低温热年代学体系短, 但二者的年龄均有其各自的地质意义。河流都发源于地势相对较高的山脉、 高原, 低温热年代学年龄能限定引起河流出现高大地形隆升的时间下限(记录造山带后期的抬升时间), 对河流而言则提供河流发育的时间上限(接近初始时间)(图8)。只要河流阶地开始出现, 河流必然已经形成, 因而河流最高阶地(年龄最老)的时代约束河流出现的时间下限。河流的发育与演化过程是流水对地球外部形态塑造的过程, 其出现和形成是一个地质过程。河流流域内造山带隆升的低温热年代学结果和河流阶地的形成时代共同构成河流演化的时间序列, 二者彼此并不矛盾。将江汉盆地周缘的河流阶地形成的年龄与低温热年代学结果进行衔接, 为建立长时间尺度的盆山耦合过程提供了良好的素材。因此, 对江汉盆地汇入的各主要河流的碎屑磷灰石和锆石进行低温热年代学分析, 同时结合上述研究结果, 不仅能限定盆地的主要物源区、 建立盆地周缘主要造山带构造隆升的期次, 对正确理解江汉盆地从“ 源” 到“ 汇” 的物质输送过程、 盆地地貌演化重建、 区域油气开发等方面都有重要的研究意义, 还能体现印度与欧亚大陆发生碰撞的远程效应向E传递、 太平洋板块向NW方向俯冲对东亚构造格局产生影响等发生的时间, 对探索青藏高原的隆升剥蚀、 东亚季风演化和认识全球气候变化的区域响应等方面也都具有重要的参考价值。

图 8 低温热年代学年龄和河流阶地年龄共同限定盆山耦合时间序列示意图Fig. 8 Schematic diagram of basin-mountain coupling time series defined by low-temperature thermochronology and river terrace ages.

4 结论与研究展望

中— 新生代江汉和洞庭盆地与其周缘造山带受太平洋板块和印度洋板块对欧亚大陆俯冲碰撞的影响, 出现多期次的构造演化过程。一方面由于研究者采用的研究方法不同, 另一方面也和研究地点自身的地质属性存在差异相关, 导致在认识江汉和洞庭盆地和远缘、 近缘造山带建立耦合关系的时间方面依然存在较大分歧。江汉和洞庭盆地内河流水系十分发育, 是多物源沉积盆地, 使其成为探讨盆山耦合过程的天然实验室。通过对这些连通河流进行碎屑矿物低温热年代学分析, 可重建江汉盆地与远缘造山带的盆山耦合关系, 加之盆地近缘造山带基岩和盆地钻孔内碎屑矿物的低温热年代学结果及区域内河流阶地年龄的研究结果已被广泛报道, 故可以对近缘盆山耦合过程的演化序列进行系统讨论。再者, 这些大型河流在东亚夏季风的影响范围内, 故可从区域上理解这些河流对构造和气候的双重响应过程, 为探索青藏高原隆升引起的构造-气候-沉积系统的科学研究提供基础数据。此外, 江汉和洞庭盆地周缘大型河流形态多受控于其所流经的造山带的走向, 而这些造山带是陆内地壳发生缩短过程的深刻体现, 由此, 这些造山带的河流碎屑矿物的低温热年代学结果, 为我们认识这些陆内造山带的演化时序提供了全新的视角。

致谢 审稿人对文章进行了仔细的修改并提出了宝贵的建议, 在此表示衷心感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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